新工科背景下基于BIM的“工程图学”课程教学改革与实践

［摘 要］ “工程图学”是为土木工程专业大一学生开设的一门专业基础课。新工科背景下，对“工程图学”教学提出了更高的要求。结合多年教学和实践经验，在“工程图学”课程中引入BIM技术，创建教学所用的BIM模型、教学视频等资源，将BIM技术的可视性、可出图性等应用于教学过程，使大一学生能及时接触到新的科技知识，大大提高了学生的学习兴趣，较好地培养了学生的形象思维能力和空间想象能力，取得了较好的教学效果，体现了课程的“两性一度”。

［关键词］ 工程图学；BIM技术；教学改革

［基金项目］ 2023年度河北省高等教育教学改革研究与实践项目“新工科背景下‘BIM+’工程图学课程教学研究与实践探索”（2022GJJG222）；2022年度河北省高等教育教学改革研究与实践项目“土木类专业工程图学课程思政教学体系研究探索”（2021GJJG228）

［作者简介］ 张会斌（1970—），男，河北栾城人，工学硕士，石家庄铁道大学土木工程学院副教授，主要从事工程图学与BIM技术研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）19-0065-04 ［收稿日期］ 2023-06-16

引言

新工科背景下，对土木工程专业人才提出了更高的要求，其中掌握现代图学理论及技术显得尤为重要。“工程图学”是土木工程专业的一门必修基础课，主要目标是培养学生绘制和阅读土木工程图的能力，即用二维平面施工图表达三维建筑形体的能力以及对二维平面施工图进行形象思维和构型设计的能力，从而提高学生的实践应用能力。随着信息科学技术的迅速发展，传统的图学课程已无法适应现代土木工程的要求，BIM（Building Information Modeling）技术应运而生。BIM是建筑信息模型化的简称，它是通过建立虚拟的土木工程三维模型，并利用数字化技术为这个模型提供与实际情况一致的各种工程相关信息，将这些信息应用于土木工程设计、施工、运维等全过程的现代化管理。BIM是2002年由美国建筑师协会资深建筑师Jerry Laiserin提出的，并逐渐得到业界人士的广泛认可。随着全球化进程的发展，BIM技术逐渐在美国、新加坡、日本等国家和欧洲普及。近几年，BIM技术在我国受到了广泛关注，住房和城乡建设部颁发了一系列关于BIM的文件，旨在推进BIM技术在我国的发展。但目前BIM技术的应用在我国还未普及，其中一个很重要的原因是BIM技术人才匮乏［1］。高等学校作为培养工程专业技术人才的基地，应进行课程教学改革，培养适应现代技术发展的新型技术人员［2］。将BIM技术应用到传统的土木工程图学课程中，不仅能使学生通过BIM技术更好地学习工程图学知识，还能激发学生学习BIM技术的热情，掌握最新的科技知识。使学生更适应当前时代的发展趋势，毕业后快速适应工作岗位的要求，推进BIM技术发展。

一、传统“工程图学”课程存在的问题

传统的“工程图学”课程以讲授投影理论和土木工程图为主，已无法满足新工科人才培养的需求。主要体现在以下几个方面。

（一）学生空间思维能力普遍较差

“工程图学”课程的主要任务就是研究用二维平面投影图来表达三维建筑形体，二维平面图没有立体感，根据二维平面图想象出三维建筑形体需要较强的空间思维能力和形象思维能力［3］。部分学生立体感较差，看不懂复杂的投影图，且目前的教学模式不能激发学生的学习兴趣和热情，久而久之易产生厌学情绪，影响教学效果。

（二）专业知识匮乏

“工程图学”课程开设在大学一年级，大一的学生尚未接触土木工程专业知识，不了解建筑物的结构构造，对于土木工程专业图的理解抽象模糊，只能机械背诵知识点，与教学目标相悖，难以达到教学目标。

（三）教学手段单一

“工程图学”课程目前的教学手段主要以幻灯片教学为主，教师通过播放幻灯片进行讲解，课堂教学中理论教学内容中占比较高，学生被动地接受理论知识，教学效果较差。作为一门实践性较强的专业基础课，如果学生不能将理论知识运用于解决工程实际问题、不知学为何用，就失去了教学意义。这种教学模式很难激发学生对土木工程图学课程的学习兴趣，难以满足教学要求。

二、BIM技术对“工程图学”课程的影响

（一）改变思维方式

“工程图学”课程传统的思维模式是先学习投影知识，即用二维平面图表达三维实体的方法。二维平面图比三维实体少了一个维度，需要把几个投影图联系起来想象。这就给初学者，尤其是空间立体感较差的学生，增加了很大的难度。BIM技术具有可视性和可出图性，它可以提供一种更直观、更接近实物的三维实体模型，并将这种三维实体模型通过技术手段转化为平面投影图，由电脑代替人脑完成由三维到二维之间的转化，兼具兴趣性和趣味性，使初学者学习起来更加简单。

（二）革新教学理念

随着高校改革的不断推进，许多课程设置应与时俱进地进行调整。“工程图学”课程应把原来二维为主的教学理念转变为三维为主的教学理念，应用BIM技术创建建筑形体的三维模型，实现“所见即所得”。学生掌握BIM技术，既可以增加学习兴趣，易于形成空间概念，还可以增加工程实用性。

（三）转移教学重心

传统的图学教学重点是培养学生用二维平面图表达三维空间立体的能力，这是制图课的重点也是难点，只有掌握了这种能力，学生才能方便地绘制和阅读工程图样。但是这导致在有效的课时内难以培养学生的构型能力、创新能力及工程素养。现在借助BIM技术可使二维到三维的转变简单易学，降低难度，节省了教学学时，进而把教学重点放在培养学生的构型能力、创新能力和工程素养上［4］，体现了课程的高阶性、创新性和挑战度。

（四）改革教学方式

传统的教学方式是以教师讲授为主、学生被动听课和学习。这种方式使缺乏专业知识的大一学生学习起来更为困难，对于复杂的形体和专业知识，学生往往听不懂。基于BIM的教学方式可以通过三维模型、动画演示、虚拟现实等生动形象地展示教学内容，与课程中的理论知识联系起来，使学生对理论知识有直观的认识；然后再学习正确规范的作图方法和步骤，使学生亲身体验传统绘图方法和BIM建模方法的不同，学生能更好地掌握工程图纸和BIM模型各自的优缺点和使用范围，增加对新知识的求知欲望。

三、基于BIM的“工程图学”课程体系构建

（一）构建原则

基于BIM的“工程图学”课程体系构建原则是：（1）改变原来二维作图为主的课程体系，以三维设计与立体思维为主线，强调构型能力、空间思维和工程意识；（2）弱化“点、线、面”的知识讲解，重点突出“体”的地位，使课程内容更接近工程实际；（3）培养学生的三维建模能力，掌握一到两种常用建模软件的使用，比如AutoCAD、Rrevit、SketchUp等；（4）培养学生对工程建设全生命周期的管理能力。

（二）教学目标

基于BIM的“工程图学”课程体系将从基本知识、工程能力、工程素养三个方面对学生进行培养，使学生在掌握传统图学知识的同时，初步具备三维建模能力、工程设计能力和工程全生命周期管理能力，体现课程的“两性一度”。

（三）课程体系构建

传统的图学课程由投影理论、制图基础、专业制图三部分构成，其中投影理论部分主要讲授点、线、面、体的投影理论和方法；制图基础部分主要讲授工程形体的表达方法和国标基本规定；专业制图部分主要讲授常见工程图的绘制和阅读方法。本课程内容多、理论性强、学习难度大，学生学习困难主要体现在两个方面：一是投影理论部分，学生空间概念差，二维到三维转换困难；二是专业图部分，学生专业知识匮乏，对建筑物的构造不了解。这些学习困难均可借助BIM技术顺利解决。

对于投影理论部分，传统的教学重点是点、线、面、体的投影理论，概念抽象，难以理解。基于BIM的教学淡化了点、线、面的理论教学，强化立体的投影图学习。对于几何形体，可通过对BIM三维模型进行旋转、缩放、剖切等操作直观地观察分析，了解形体的特点，截交线、相贯线的形成等知识。学生看懂模型后，还可借助BIM三维到二维的转换技术直接生成三视图、剖视图、断面图等投影图，这样可使学生跳过抽象的空间分析想象，直接掌握投影图和实体之间的相互关系，大大降低学习难度，激发学生的学习兴趣。

对于专业制图部分，学生学习的难点是专业知识匮乏，不了解建筑物的详细构造，只看工程施工图无法掌握图纸所表达的内容。基于BIM的教学根据施工图创建建筑物逼真的三维模型，通过动画、漫游、渲染等操作，使学生详细了解建筑物各部分的构造，再通过BIM的施工图生成技术，直接可将三维模型转化为施工图纸。通过这种学习方式，学生不仅学会了本课程的专业知识，还体会到现代科技的强大，激发了学生热爱科学、努力钻研、勇于创新、掌握最新科技知识的学习热情。

（四）课程素材库建设

为了深化教学改革，我们将“工程图学”课程中的所有例题、习题都创建了BIM模型，建立课程素材库，用于实际教学。我们的素材库主要包括三大部分：基本立体部分、组合体及形体表达部分、专业图部分。这些素材都可通过电脑或手机观看。

组合体及形体表达部分，创建了各种形体的三维模型，再利用BIM技术自动生成三视图、剖视图、断面图等，通过比较这些视图，可选择合适的图形表达建筑形体。图1为某组合体的BIM模型，图2为由BIM模型生成的半剖视图和平面图。

四、BIM技术融入课堂

将BIM技术融入课堂是一种全新的教学模式，如何更好地融入课堂需要不断的探索和实践，我们在教学过程中主要从以下几个方面进行尝试。

（一）建立教学资源，引导学生课前预习

我们为“工程图学”课程的全部内容录制教学视频、创建BIM模型、设计预习自测题目，并将这些资源利用超星平台提前发布给学生，让学生提前预习课程内容。课上教师先讲授重点和难点，然后提出问题让学生分组讨论，再选某个小组作答，其他小组可对回答结果进行评判，最后再由教师进行总结梳理。这样活跃了课堂气氛，调动了学生主动学习的积极性，使其变被动学习为主动学习，大大提高了学习效率。

（二）利用BIM技术全方位观看学习

学生在学习过程中，对于难以理解的复杂形体，可以利用BIM模型进行360°全方位旋转观看，同时可通过BIM模型直接生成三视图、剖视图、断面图等平面图形，使学生更方便地建立三维立体和二维投影图之间的联系，把复杂抽象的空间想象过程变得直观、简单，取得了较好的学习效果。对于建筑物各个复杂的细部构造，学生可利用BIM模型进行局部放大、剖切等操作，仔细研究其细部构造，加深对建筑构造知识的理解，避免空洞地讲解。对于钢筋混凝土结构图，可通过钢筋模型，使学生深入了解结构内部钢筋的布置及其作用。

（三）引导学生自学BIM软件

由于我们的“BIM建模”课程开设在大二，所以“工程图学”课程中用到的BIM模型都是由教师提前建好的，供学生自学和上课使用。学生在学习“工程图学”课程时主要使用现成的BIM模型。通过将BIM技术引入课堂，激发了学生的学习兴趣，很多学生在大一就开始自学BIM建模知识。为此我们将“BIM建模”课程也录制了教学视频，发布在超星平台供学生自学。很多学生通过自学很好地掌握了BIM建模软件的使用，为后续课程的学习和毕业设计打下了很好的基础。

五、教学效果分析

我们将BIM技术引入课堂，经过两年的教学实践，取得了较好的教学效果。

（一）激发学生的学习兴趣